【正文】 啟動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定 如何根據(jù)風(fēng)能資源來選用風(fēng)力機(jī)，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)最佳，確定起動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速是關(guān)鍵。橫截面積為 s(m2)的氣流的動(dòng)能為 E= 式中 ρ—— 空氣密度，㎏ /m3 Vf —— 風(fēng)速， m/s 如果風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲得的軸 功率為 P,那么風(fēng)能利用系數(shù)為 CP=P/E=P/() （ 21） 風(fēng)壓強(qiáng) 如圖 21a，根據(jù)伯努力方程，風(fēng)中物體受到的風(fēng)壓 Q為 Q= 式中 C—— 空氣阻力系數(shù)與物體形狀有關(guān)，平板一般取 2 Vf—— 風(fēng)與平板的相對(duì)速度 阻力式風(fēng)力機(jī)的最大效率 建立簡單的理想模型，一個(gè)平板在風(fēng)的氣動(dòng)壓力作用下沿著風(fēng)速方向運(yùn)動(dòng)，如圖 2l（ b），并規(guī)定平板上游一定距離上的風(fēng)速為 Vf，平板的運(yùn)動(dòng)速度為 V，那么平板吸收的功率可以表示為 P=FV=QSV 式中 F—— 板受到風(fēng)的 壓力，牛頓 S—— 平板的面積， m2 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 圖 21 平板模型 F=QS=(VfV)2 所以 P=(VfV)2V (22) 對(duì)給定的上游風(fēng)速玲，可以寫出以平板的運(yùn)動(dòng)速度 V為函數(shù)的功率變化關(guān)系式，對(duì) V進(jìn)行微分得 dp／ dv=CP(VfV)(VfV／ 3) 令 dp／ dv=0， 可以得到兩個(gè)解： 1） V1=Vf沒有物理意義 2） V2=Vf／ 3對(duì)應(yīng)于最大值 Pmax=(4C/27) CPmax=4C/27 (23) 從上式中可以看出，阻力式風(fēng)力機(jī)的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設(shè)法提高風(fēng)的阻力系數(shù) C。目前最長的葉片以做到 50m。同時(shí)單機(jī)容量在 1MW 以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也研制開發(fā)成功，并在湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 風(fēng)電場(chǎng)中成功運(yùn)行。 環(huán)境驅(qū)動(dòng)力 除了人們?cè)缦日J(rèn)識(shí)到的煙塵、二氧化硫等區(qū)域性的污染外，世界上越來越多的人開始認(rèn)識(shí)到二氧化碳等溫室氣體的 大量排放對(duì)全球氣候變暖給人類社會(huì)帶來的有害影響。 經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力 經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化 能源供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化提供了重視開發(fā)利用的基本原理。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) XX 參考文獻(xiàn) [1] 吳治堅(jiān) .新能源和可再生能源的利用 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2020：256289. 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H系列，輸出的平均電壓 25~600V，整流電流 50mA~5A，使用十分方便。而且用該交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須達(dá)到在該轉(zhuǎn)速下的電壓時(shí)才能對(duì)蓄電池組充電。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組（即勵(lì)磁繞組）和轉(zhuǎn)子軸組成，轉(zhuǎn)子鐵芯可做成凸極式或形，一般都用爪形磁極，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的兩端接到滑環(huán)上，通過與滑環(huán)接觸的電刷與硅整流器的直流輸出端相連，從而獲得直流勵(lì)磁電流。本論文只介紹小型風(fēng)力機(jī)的對(duì)風(fēng)裝置，如圖 2— 4所示，利用尾舵控制對(duì)風(fēng)。 （ 6） 直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻穩(wěn)定交流電。 隨著風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟和電力規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率在向大型化方向發(fā)展。 （ 2）風(fēng)電制造企業(yè)集中度較高。 可以說，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究和進(jìn)行這方面的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我們從事風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的同學(xué)是有著十分重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義的，也是十分有必要的 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第一章 緒論 風(fēng)能是一種清潔的、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物質(zhì)燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會(huì)隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而 減少，因此可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源。而礦物質(zhì)燃料儲(chǔ)量有限，正在日趨減少，況且其帶來的嚴(yán)重的污染問題和溫室效應(yīng)正越來越困擾著人們。目前，主要風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)集中在歐美國家，全世湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 界風(fēng)電機(jī)組供應(yīng)商的前 10位供應(yīng)了世界新增裝機(jī)容量的 90% 以上的份額，集中度比較高。風(fēng)力發(fā)電這一朝陽產(chǎn)業(yè)必將蓬勃發(fā)展，成為將來能源供給的支柱產(chǎn)業(yè)！ 風(fēng)力發(fā)電的原理和特點(diǎn) 風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。此時(shí)即可實(shí)現(xiàn)為負(fù)載供電。由尾翼帶東水平軸旋轉(zhuǎn)，是風(fēng)輪總朝向風(fēng)吹來的方向。 圖 31 串聯(lián)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)葉片多數(shù)是固定槳距的，當(dāng)風(fēng)力變化時(shí)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速隨之變化，與風(fēng)力機(jī) 相連的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之變化，因而發(fā)電機(jī)的出口電壓也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，這將導(dǎo)致硅整流器輸出的直流電壓及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化，并造成勵(lì)磁磁場(chǎng)的變化，這樣又造成發(fā)電機(jī)出口電壓的波動(dòng)。 整流部分 由于自然界風(fēng)力的不穩(wěn)定性，交流發(fā)電機(jī)輸出的是不穩(wěn)定的交流電，頻率和幅值都在不斷地變化，而用戶需要的是正常頻率（即 50HZ）的穩(wěn)定交流電，因此必須進(jìn)行 AC— DC— AC變換，即 先經(jīng)過整流變成直流電，之后在經(jīng)過你變電路將之變成標(biāo)準(zhǔn)的交流電。 參數(shù)選擇 由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電壓與輸出電流是會(huì)隨著風(fēng)速的波動(dòng)而發(fā)生很大變化的。影響其壽命的原因有很多，如充放電過 度、蓄電池的電解液濃度太大或者純度降低以及在高溫環(huán)境下使用等都會(huì)是蓄電池的性能變壞，降低蓄電池的使用壽命。 ( a ) ( b ) 圖 1443 單相橋式逆變電路原理 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆向過程，是通過功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的開通和關(guān)斷作用來實(shí)現(xiàn)的。 （ 5） 具有靈敏的過流保護(hù)能力。在我撰寫論文的過程中， ***老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題、構(gòu)思和資料的收集方面，還是在論文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了羅老師悉心細(xì)致的教誨和無私的幫助，特別是他湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) XXII 廣博的學(xué)識(shí)、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風(fēng)使我終生受益，在此表示 真誠地感謝和深深的謝意。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，電力供應(yīng)困難。冰山消融、海平面升高、大氣環(huán)流和海洋異常導(dǎo)致自然災(zāi)害的頻發(fā)、土地沙漠化，使 “ 地球村 ” 的效應(yīng)更加明顯，各國都認(rèn)識(shí)到必須共同采取措施減緩和影響這種變化。世界風(fēng)電總裝機(jī)容量 1997 年底為 746 萬 KW，1998 年底為 1015 萬 KW， 1999 年底風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究為 1393 萬 KW， 2020 年達(dá) 1845 萬 KW， 2020 年達(dá) 2493萬 KW， 2020 年達(dá) 3112KW，平均年增長率在 30%以上。槳葉材料由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 發(fā)展為強(qiáng)度高、重量輕的碳纖維。 工作風(fēng)速與輸出功率 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出效率 最理想的風(fēng)力機(jī)也不可能吸收全部的風(fēng)能，而只能吸收部分風(fēng)能。 （ 1） 雙參數(shù)威布爾分布 風(fēng)能就是流動(dòng)空氣具有的動(dòng)能。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率達(dá)到標(biāo)稱功率時(shí)的工作風(fēng)速叫做該風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 2 風(fēng)力機(jī)理論 基本公式 風(fēng)能利用系數(shù) 風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸收的能量大小程度用風(fēng)能利用系數(shù) Cp表示。例如，單機(jī)容量不斷增大，槳葉的長度也在不斷增長，容量為 2MW 的風(fēng)力機(jī)葉輪掃風(fēng)直徑達(dá)72m。到 20 世紀(jì) 90 年代，單機(jī)容量為 100～ 200KW 的機(jī)組已在中型和大型風(fēng)電場(chǎng)中成為主導(dǎo)機(jī)型。一個(gè)國家如果開發(fā)利用風(fēng)能技術(shù)早，就有可能占據(jù)風(fēng)能利用的技術(shù)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。下面將主要從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)和技術(shù)進(jìn)步四 方面來介紹風(fēng)能開發(fā)利用的動(dòng)因?？捎糜陔娋W(wǎng)未通達(dá) 的偏遠(yuǎn)地區(qū)的戶用電力供應(yīng)。 （ 3） 盡可能小的輸入輸出延遲時(shí)間 ,以提高工作效率。 逆變電路 獨(dú)立運(yùn)行的異步風(fēng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)組輸出 有是不穩(wěn)定的交流電，必須用蓄電池儲(chǔ)能，才能 向用戶提供連續(xù)平穩(wěn)的電能，但絕大多數(shù)用電器，如日光燈、電視機(jī)、電冰箱、電風(fēng)扇和絕大多數(shù)動(dòng)力機(jī)械等都是以交流電工作，因此，在獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中通常需要將直流電再變換成交流電，這種變換過程叫逆變，具有逆變 功能的電力電子設(shè)備稱為逆變器，逆變器還具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善系統(tǒng)的供電質(zhì)量。 蓄電池的容量以 Ah 表示，其端電壓隨著放電而逐漸降低，且蓄電池組存在最佳充放電電流，其具體參數(shù)將在實(shí)際應(yīng)用中再做具體分析。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) X 圖 512 單相橋式 整流電路電壓與電流的波形 負(fù)載電流的平均值 是 LOLOo RURUI ?? 每個(gè)周期中， D D3串聯(lián)與 D D4串聯(lián)各輪流導(dǎo)電半周，所以每個(gè)湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) XI 二極管中流出的平均電流只有負(fù)載電流的一半，如圖 512（ c）所示，即 LOD RUII ?? 由圖 512（ d）可以看出，二極管截止時(shí)承受的最高反向電壓就是變壓器二次側(cè)交流電壓 u2的最大值 U2m，即 22 2UUU MD R M ?? ID和 UDRM是選擇整流二極管的主要依據(jù)。 采用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硅整流交流 發(fā)電機(jī)，與永磁發(fā)電機(jī)比較，其特點(diǎn)是能隨風(fēng)速變化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出端電壓，防止產(chǎn)生對(duì)蓄電池組過充電，延長蓄電池組的使用壽命；同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)，但由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的動(dòng)斷、動(dòng)合觸點(diǎn)動(dòng)作頻繁，需對(duì)出頭材質(zhì)及斷弧性能做適當(dāng)?shù)奶幚怼０l(fā)電機(jī)的定子由定子鐵心和 定子繞組組成，定子繞組為 單 相， Y型連接，放在定子鐵芯內(nèi)圓槽內(nèi)。 （ 3） 對(duì)風(fēng)裝置：自然界的風(fēng)向及風(fēng)速一直變 化，為了得到較高的風(fēng)能利用率，應(yīng)使風(fēng)能的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向?yàn)榇诵枰獙?duì)風(fēng)裝置。 （ 5） ，直流電經(jīng)控制電路流向逆變器，并向蓄電池充電； ，控制電路切換為蓄電池供電狀態(tài)。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模和裝機(jī)容量較大，發(fā)展速度較快，平均年新增裝機(jī)容量 KW，最大單機(jī)容量達(dá)到 1300KW。最近 ,又發(fā)展了無齒風(fēng)機(jī)等 ,進(jìn)一步提高了安全性和效率。由能源問題引發(fā)的危機(jī)以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認(rèn)識(shí)到開發(fā)清潔的可再生能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要。因此風(fēng)力發(fā)電正越來越引起人們的關(guān)注。近來， GE風(fēng)能（ GE Wind Energy）、德國 REpower（ REpower Systems AG）和三菱重工（ MHI）的市場(chǎng)份額提高迅速。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) I 第二章 風(fēng)力機(jī)原理及其結(jié)構(gòu) 風(fēng)力機(jī)經(jīng)過多年的發(fā)展和演變，已經(jīng)有很多形式，但是歸納起來，可分為兩類： ① 水平軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)倫的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行； ② 垂直軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直與地面或氣流方向。 圖 24對(duì)風(fēng)裝置 （ 4） 齒輪箱 由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風(fēng)力的大小經(jīng)常變化著，這又使得轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。這種連鎖反應(yīng)是的發(fā)電機(jī)的出口電壓的波動(dòng)范圍不斷增加